La selección asistida por marcadores o selección asistida por marcadores ( MAS ) es un proceso de selección indirecta en el que se selecciona un rasgo de interés en función de un marcador ( variación morfológica , bioquímica o de ADN / ARN ) vinculado a un rasgo de interés (por ejemplo, productividad, resistencia a enfermedades, resistencia abiótica). tolerancia al estrés y calidad), más que en el rasgo en sí. [1] [2] [3] [4] [5] Este proceso ha sido ampliamente investigado y propuesto para el mejoramiento de plantas y animales . [5]
Por ejemplo, utilizar MAS para seleccionar individuos con resistencia a enfermedades implica identificar un alelo marcador que está relacionado con la resistencia a las enfermedades en lugar del nivel de resistencia a las enfermedades. Se supone que el marcador se asocia con alta frecuencia con el gen o locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés, debido al vínculo genético (estrecha proximidad, en el cromosoma, del locus marcador y el locus determinante de la resistencia a la enfermedad). MAS puede ser útil para seleccionar rasgos que son difíciles o costosos de medir, exhiben baja heredabilidad y/o se expresan en una etapa tardía del desarrollo. En determinados puntos del proceso de reproducción, los especímenes se examinan para garantizar que expresen el rasgo deseado.
La mayoría del trabajo de MAS en la era actual utiliza marcadores basados en ADN. [5] Sin embargo, los primeros marcadores que permitieron la selección indirecta de un rasgo de interés fueron los marcadores morfológicos. En 1923, Karl Sax informó por primera vez la asociación de un marcador genético simplemente heredado con un rasgo cuantitativo en plantas cuando observó la segregación del tamaño de las semillas asociada con la segregación de un marcador de color de la cubierta de la semilla en frijoles ( Phaseolus vulgaris L.). [6] En 1935, J. Rasmusson demostró la vinculación del tiempo de floración (un rasgo cuantitativo) en guisantes con un gen simplemente heredado para el color de la flor. [7]
Los marcadores pueden ser:
Los siguientes términos son generalmente menos relevantes para las discusiones sobre MAS en el mejoramiento de plantas y animales, pero son muy relevantes en la investigación de biología molecular:
Se puede hacer una distinción entre marcadores seleccionables (que eliminan ciertos genotipos de la población) y marcadores seleccionables (que hacen que ciertos genotipos sean fácilmente identificables, momento en el cual el experimentador debe "calificar" o evaluar la población y actuar para retener los genotipos preferidos. ). La mayoría de MAS utiliza marcadores seleccionables en lugar de marcadores seleccionables.
El gen de interés provoca directamente la producción de proteínas o ARN que producen un rasgo o fenotipo deseado, mientras que los marcadores (una secuencia de ADN o los marcadores morfológicos o bioquímicos producidos debido a ese ADN) están vinculados genéticamente al gen de interés. El gen de interés y el marcador tienden a moverse juntos durante la segregación de gametos debido a su proximidad en el mismo cromosoma y la reducción concomitante de la recombinación (eventos de cruce de cromosomas) entre el marcador y el gen de interés. Para algunos rasgos, se ha descubierto el gen de interés y la presencia de alelos deseables se puede analizar directamente con un alto nivel de confianza. Sin embargo, si no se conoce el gen de interés, aún se pueden usar marcadores vinculados al gen de interés para seleccionar individuos con alelos deseables del gen de interés. Cuando se utilizan marcadores, puede haber algunos resultados inexactos debido a pruebas inexactas del marcador. También puede haber resultados falsos positivos cuando se utilizan marcadores, debido a la recombinación entre el marcador de interés y el gen (o QTL). Un marcador perfecto no provocaría resultados falsos positivos. El término "marcador perfecto" se utiliza a veces cuando se realizan pruebas para detectar un SNP u otro polimorfismo de ADN en el gen de interés, si ese SNP u otro polimorfismo es la causa directa del rasgo de interés. El término "marcador" sigue siendo apropiado cuando se analiza directamente el gen de interés, porque la prueba de genotipo es una prueba indirecta del rasgo o fenotipo de interés. [ cita necesaria ]
Un marcador ideal:
Los marcadores morfológicos están asociados con varios déficits generales que reducen su utilidad, entre ellos:
Para evitar problemas específicos de los marcadores morfológicos, se han desarrollado marcadores basados en ADN. Son altamente polimórficos , exhiben herencia simple (a menudo codominante), son abundantes en todo el genoma, son fáciles y rápidos de detectar, exhiben efectos pleiotrópicos mínimos y la detección no depende de la etapa de desarrollo del organismo. Se han asignado numerosos marcadores a diferentes cromosomas en varios cultivos, incluidos arroz, trigo, maíz, soja y varios otros, y en ganado como ganado vacuno, cerdos y pollos. Esos marcadores se han utilizado en análisis de diversidad, detección de parentesco, huellas dactilares de ADN y predicción del rendimiento híbrido. Los marcadores moleculares son útiles en procesos de selección indirecta, permitiendo la selección manual de individuos para una mayor propagación.
Los 'genes principales' que son responsables de características económicamente importantes son frecuentes en el reino vegetal. Dichas características incluyen resistencia a enfermedades, esterilidad masculina, [12] autoincompatibilidad y otras relacionadas con la forma, el color y la arquitectura de plantas enteras y, a menudo, son de naturaleza mono u oligogénica. Los loci marcadores que están estrechamente vinculados a genes principales se pueden utilizar para la selección y, a veces, son más eficientes que la selección directa del gen diana. Tales ventajas en eficiencia pueden deberse, por ejemplo, a una mayor expresión del ARNm marcador en casos en los que el marcador es en sí mismo un gen. Alternativamente, en los casos en que el gen diana de interés difiere entre dos alelos por un polimorfismo de un solo nucleótido difícil de detectar , se puede utilizar un marcador externo (ya sea otro gen o un polimorfismo que sea más fácil de detectar, como una repetición corta en tándem ). puede presentarse como la opción más realista.
Existen varias indicaciones para el uso de marcadores moleculares en la selección de un rasgo genético.
Situaciones como:
El costo del genotipado (por ejemplo, los ensayos de marcadores moleculares necesarios aquí) está disminuyendo, lo que aumenta el atractivo de MAS a medida que continúa el desarrollo de la tecnología. (Además, el costo del fenotipado realizado por un ser humano es una carga laboral , que es mayor en un país desarrollado y aumenta en un país en desarrollo).
Generalmente, el primer paso es mapear el gen o locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés primero usando diferentes técnicas y luego usando esta información para la selección asistida por marcadores. Generalmente, los marcadores que se utilizarán deben estar cerca del gen de interés (<5 unidades de recombinación o cM) para garantizar que solo una fracción menor de los individuos seleccionados sean recombinantes. Generalmente, no sólo se utiliza un único marcador sino dos marcadores para reducir las posibilidades de un error debido a la recombinación homóloga. Por ejemplo, si se utilizan dos marcadores flanqueantes al mismo tiempo con un intervalo entre ellos de aproximadamente 20 cM, existe una mayor probabilidad (99 %) de recuperación del gen diana.
En las plantas, el mapeo de QTL generalmente se logra utilizando poblaciones cruzadas biparentales; Se desarrolla un cruce entre dos padres que tienen un fenotipo contrastante para el rasgo de interés. Las poblaciones comúnmente utilizadas son líneas casi isogénicas (NIL), líneas endogámicas recombinantes (RIL), haploides dobles (DH), retrocruzamiento y F 2 . En estas poblaciones se prueba el vínculo entre el fenotipo y los marcadores que ya han sido mapeados para determinar la posición del QTL. Estas técnicas se basan en la vinculación y, por lo tanto, se denominan " mapeo de vinculación ".
A diferencia del mapeo QTL de dos pasos y MAS, se ha desarrollado un método de un solo paso para mejorar poblaciones de plantas típicas. [13] [14]
En este enfoque, en los primeros ciclos de reproducción, los marcadores vinculados al rasgo de interés se identifican mediante mapeo QTL y luego se utiliza la misma información en la misma población. En este enfoque, la estructura genealógica se crea a partir de familias que se crean cruzando el número de padres (en cruces de tres o cuatro vías). Tanto el fenotipado como el genotipado se realizan utilizando marcadores moleculares que mapean la posible ubicación del QTL de interés. Esto identificará marcadores y sus alelos favorables. Una vez que se identifican estos alelos marcadores favorables, se aumentará la frecuencia de dichos alelos y se estimará la respuesta a la selección asistida por marcadores. Los alelos marcadores con efecto deseable se utilizarán más en el próximo ciclo de selección u otros experimentos.
Recientemente se han desarrollado técnicas de genotipado de alto rendimiento que permiten la detección asistida por marcadores de muchos genotipos. Esto ayudará a los criadores a cambiar el mejoramiento tradicional hacia la selección asistida por marcadores. Un ejemplo de este tipo de automatización es el uso de robots de aislamiento de ADN, electroforesis capilar y robots de pipeteo.
Un ejemplo reciente de sistema capilar es el analizador genético Applied Biosystems 3130. Esta es la última generación de instrumentos de electroforesis de 4 capilares para laboratorios de rendimiento bajo a medio.
Se necesita MAS de alto rendimiento para el mejoramiento de cultivos porque las técnicas actuales no son rentables. Masouleh et al 2009 desarrollaron matrices para arroz; trigo por Berard et al 2009, Bernardo et al 2015 y Rasheed et al 2016; legumbres por Varshney et al 2016; y varios otros cultivos, pero todos ellos también tienen problemas de personalización, costo, flexibilidad y costos de equipo. [15]
Se requiere un mínimo de cinco o seis generaciones de retrocruzamiento para transferir un gen de interés de un donante (puede no estar adaptado) a un receptor (cultivar recurrente – adaptado). La recuperación del genotipo recurrente se puede acelerar con el uso de marcadores moleculares. Si el F1 es heterocigoto para el locus marcador , los individuos con los alelos parentales recurrentes en el locus marcador en la primera o posteriores generaciones de retrocruzamiento también portarán un cromosoma marcado por el marcador.
Se ha propuesto y aplicado la piramidización de genes para mejorar la resistencia a enfermedades e insectos seleccionando dos o más genes a la vez. Por ejemplo, en el arroz se han desarrollado pirámides de este tipo contra la plaga y el añublo bacteriano. La ventaja del uso de marcadores en este caso permite seleccionar marcadores ligados al alelo QTL que tengan el mismo efecto fenotípico.
El MAS también ha demostrado ser útil para el mejoramiento del ganado . [dieciséis]
En el sitio web de Wheat CAP (Proyecto Agrícola Coordinado) existe un esfuerzo coordinado para implementar la selección asistida por marcadores de trigo ( durum ( Triticum turgidum ) y trigo blando ( Triticum aestivum )) en los EE. UU., así como un recurso para la selección asistida por marcadores.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )